氣凝膠微球是具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的新材料，既由納米級材料構(gòu)建，又有微米級尺寸，同時還具備氣凝膠特有的熱、聲、光、電性質(zhì)和復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在生物醫(yī)藥、環(huán)境修復(fù)、功能性載體、能源存儲和轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。目前，氣凝膠微球成為新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，研究的主要體系有二氧化硅氣凝膠微球、纖維素氣凝膠微球、間苯二酚-甲醛/碳?xì)饽z微球、石墨烯氣凝膠微球等。
一、氣凝膠微球概述
氣凝膠微球，也稱微球狀氣凝膠，其與常見的塊狀氣凝膠不同，是一種特殊結(jié)構(gòu)的新材料，它既由納米級材料構(gòu)建，又有微米級尺寸（通常在1～1000μm之間），同時還具備和宏觀大塊狀氣凝膠一樣的三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)。
研究者將氣凝膠制備成氣凝膠微球，能夠拓展氣凝膠的潛在應(yīng)用范圍，如超級吸附劑、藥物/催化劑載體、功能性復(fù)合物顆粒、滲透膜等。這是由于氣凝膠微球相較于氣凝膠塊體具有一系列更優(yōu)異的性質(zhì)，例如：作為催化劑載體，具有更大的比表面積，能提供更多的活性反應(yīng)中心；作為填充材料，具有流動性好易于均勻分散，不易引起應(yīng)力集中等性質(zhì)。因此，能在很大程度上提高氣凝膠的使用效率和拓寬氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。
二、氣凝膠微球制備方法
由于氣凝膠本身的特性（高孔隙率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等），目前一般采用原位制備氣凝膠微球，主要工藝過程是首先通過乳液法、噴霧法或球滴法制備有機(jī)/水凝膠微球，再通過臨界CO2干燥、冷凍干燥等干燥方式使微球中的溶劑替換為空氣，從而得到具有復(fù)雜開孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠微球。
1、乳液法
乳液法是將前驅(qū)體溶膠分散在油相中形成W/O乳液或反相懸浮液，再通過升溫，加入催化劑等方式使前驅(qū)體溶膠發(fā)生溶膠－凝膠轉(zhuǎn)化，形成水凝膠微球，再經(jīng)過一定的干燥程序得到氣凝膠微球。
研究者利用乳液法首先將硅酸乙酯、乙醇、乙酸混合，在50℃下攪拌30min后，加入TiO2，繼續(xù)攪拌，然后加氨水調(diào)節(jié)pH至8-9加入油相，其中油相與混合液的體積比為1∶1，以形成水/油乳狀液，持續(xù)攪拌5-10min，逐漸形成鈦-硅氣凝膠微球，接下來通過多次甲醇水洗、抽濾，將氣凝膠微球從乳狀液中分離，將濕凝膠陳化后進(jìn)行抽濾，最后將濕凝膠在40℃條件下常壓干燥，制備得到TiO2/SiO2氣凝膠微球。
乳液法是目前最為常用的制備氣凝膠微球的方法。其優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)量高，適用于大規(guī)模制備氣凝膠微球，同時乳液法能通過調(diào)控表面活性劑種類和用量、攪拌速度等條件來制備尺寸可控、球形度高的氣凝膠微球粉體顆粒。缺點(diǎn)是：制備過程較為繁瑣，且表面活性劑不易完全洗去。
2、噴霧法
噴霧法是指前驅(qū)體溶液經(jīng)過霧化后進(jìn)入凝固浴中凝固，再經(jīng)過一定的干燥程序后直接得到氣凝膠微球的方法。采用靜電噴霧和原位徑向冷凍技術(shù)，以液氮－乙酸乙酯作為凝固浴，使氧化石墨烯溶液分散成球形液滴后在凝固浴中凍結(jié)，形成氧化石墨烯冰微球，再經(jīng)過冷凍干燥，得到氧化石墨烯氣凝膠微球。這種微球密度低，孔道豐富，并且由于冰晶的徑向生長形成了獨(dú)特的中心發(fā)射狀孔道結(jié)構(gòu)，在吸附劑、催化劑載體等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。
研究者利用電噴霧和冷凍干燥等手段，制備出具有較好吸附性能的石墨烯氣凝膠微球。工藝過程是使用石墨烯水分散液作為前驅(qū)體，通過電噴霧設(shè)備霧化成微液滴后，用液氮冷卻過的正己烷接收，石墨烯微液滴會很快被冷凍成為石墨烯冰微球，隨后將其置于?50°C，壓力低于20Pa的條件下冷凍干燥24h，得到石墨烯的氣凝膠微球。
目前，噴霧法除了靜電噴霧，還有高壓噴霧、超聲噴霧等，通過這些霧化方法，選擇合適的凝固浴，能簡便地制備氣凝膠微球顆粒。但是，高壓霧化和超聲霧化無法制備單分散性的微球，且所得微球形貌規(guī)整度低。而靜電噴霧技術(shù)通過適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)節(jié)，很大程度上可以解決這個問題，因此越來越受到研究人員的重視。
3、球滴法
球滴法是利用球滴法制備氣凝膠微球過程簡便，只需將溶膠液逐滴滴入凝固浴之中即可。利用硅酸鈉溶液作為前驅(qū)體，將其滴入氨水中，當(dāng)硅酸鈉液滴一接觸氨水，就開始發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，形成水凝膠微球，經(jīng)過洗滌干燥后，就得到了具有納米孔道的二氧化硅氣凝膠微球。將海藻酸鈉溶液逐滴滴入CaCl2溶液中，使海藻酸鈉發(fā)生交聯(lián)，形成微球狀水凝膠，再經(jīng)過溶劑交換和超臨界二氧化碳干燥得到了海藻酸鈉氣凝膠微球。
4、其他方法
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所采用電磁閥操控式噴墨打印-液體彈珠-超臨界流體萃取的組合策略，并成功制備得到單分散、尺寸可控的石墨烯氣凝膠微球。
該方法工藝是首先使用氧化石墨烯水分散液作為前驅(qū)體，采用噴墨打印技術(shù)制備單分散的前驅(qū)體微液滴；隨后利用液體彈珠技術(shù)實(shí)現(xiàn)對液滴的操縱及形狀維持，即將氧化石墨烯液滴打印在氧化硅氣凝膠微粉中；之后將氧化石墨烯液體“彈珠”置于密閉環(huán)境中長時間靜置，獲得石墨烯水凝膠微球；最后經(jīng)超臨界干燥獲得單分散的石墨烯氣凝膠微球。該石墨烯氣凝膠微球尺寸離散系數(shù)在4.9-6.4%之間，并具有良好的滾動性、高的比表面積、高的孔隙率、良好的導(dǎo)電性及優(yōu)異的疏水性。
三、氣凝膠微球應(yīng)用
目前，氣凝膠微球可分為以二氧化硅為代表的無機(jī)氧化物氣凝膠微球、碳基氣凝膠微球和有機(jī)聚合物氣凝膠微球（如淀粉、乳清／殼聚糖氣凝膠微球等）三種，其在吸附分離、生物醫(yī)藥、能源存儲、有機(jī)催化等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價值。
1、二氧化硅氣凝膠微球應(yīng)用
在光催化領(lǐng)域，TiO2/SiO2復(fù)合氣凝膠微球具有比表面積大和獨(dú)特的內(nèi)部介孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)作為光催化劑降解亞甲基藍(lán)時，氣凝膠微球表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于商業(yè)化二氧化鈦光觸媒的催化活性，同時，也優(yōu)于塊狀二氧化鈦/二氧化硅復(fù)合氣凝膠，表現(xiàn)出其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，SiO2氣凝膠微球進(jìn)行表面疏水處理后作為藥物載體，成功實(shí)現(xiàn)了布洛芬在pH調(diào)控下的控制釋放。這種方法為藥物在刺激（如熱、pH、酶等）下的釋放提供了另一種機(jī)理，能大大擴(kuò)展氣凝膠在藥物控釋領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
2、碳基氣凝膠微球應(yīng)用
碳基氣凝膠微球由于其獨(dú)特表面性質(zhì)、高比表面積和導(dǎo)電性能，在吸附分離能源存儲等方面具有應(yīng)用價值。
在吸附領(lǐng)域，具有中心發(fā)散狀微孔道結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯氣凝膠微球?qū)ΤＲ娪袡C(jī)溶劑和油類表現(xiàn)出高達(dá)60g·g-1～214g·g-1的出色吸附性能和較高的循環(huán)使用性能，體現(xiàn)了其在水處理中的巨大應(yīng)用潛力。
在能源儲存領(lǐng)域，具有介孔的碳基氣凝膠微球，作為超級電容器的電極時性能非常出色，具有高比電容（187.08F·g-1）和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性（大于5000次仍能維持在99%以上的庫侖效率）和較低的電阻。
3、有機(jī)聚合物氣凝膠微球應(yīng)用
有機(jī)聚合物氣凝膠微球主要包含聚多糖類氣凝膠微球和醋酸纖維素氣凝膠微球，由于其優(yōu)異的生物相容性和表面豐富的官能團(tuán)，在吸附分離、生物醫(yī)藥、有機(jī)催化等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。
